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Doppelsterne

Inhalt:
  • Eigenbewegung der Fixsterne
  • Eigenbewegung des Sonnensystems
  • different. Rotation der Milchstraße
  • Eine kleine Exkursion
  • Zusammenfassung



Edmund Halley
(1656-1742)



Immanuel Kant
(1724-1804)



Jerome Lalande
(1732-1807)



Wilhelm Herschel
(1738-1822)



Friedrich W. A.
Argelander (1799-1875)



Jan Hendrik Oort
(1900-1992)



Reinhard Genzel

geb. 1952

Über die Eigenbewegung der Sterne

(J.S.Schlimmer 2/2009)

Die Beobachtung der Eigenbewegung ist eng mit der Doppelsternbeobachtung verbunden. Der Grund hierfür sind sogenannte optische Doppelsterne, die meist aus einem hellen Vordergrundstern und einem dunkleren Hintergrundstern bestehen. Beide Sterne sind nicht physisch aneinander gebunden. Die Eigenbewegung des Vordergrundsterns lässt sich daher anhand des Hintergrundsterns leicht beobachten.

Die Eigenbewegung der Fixsterne hat verschiedene Ursachen. Um diese Ursachen im Einzelnen zu verstehen, ist es notwendig das Gebiet der Doppelsternbeobachtung zu verlassen und tief in das Zentrum unseres Milchstraßensystems zu blicken.

1. Die Eigenbewegung der Fixsterne

Der englische Astronom Edmund Halley entdeckte im Jahre 1717 anhand von Positionsvergleichen antiker Sternkataloge mit eigenen Beobachtungen die Eigenbewegung einiger heller Fixsterne [1]. Diese Entdeckung war nur aufgrund des sehr großen Zeitabstandes zwischen diesen Beobachtungen möglich, da sich die jährliche Eigenbewegung nur im Bogensekundenbereich bewegt.

Die Eigenbewegung beschreibt lediglich die relative Bewegung der Fixsterne als Projektion auf der Himmelskugel in Rektaszension und Deklination. Die Sterne bewegen sich aber auch auf uns zu oder von uns weg. Diese Bewegungskomponente wird durch die Radialgeschwindigkeit beschrieben. Die Radialgeschwindigkeit kann spektroskopisch anhand der Rotverschiebung bestimmt werden.

2. Die Eigenbewegung unseres Sonnensystems

Friedrich Wilhelm Herschel untersuchte bei seinen Himmelsdurchmusterungen in den Jahren 1779–1783 unter anderem auch die Eigenbewegung der Fixsterne. Er stützte seine Untersuchungen dabei auf eine Tabelle von Jerome Lalande, die die Eigenbewegung von 12 Sternen in den letzten 50 Jahren beinhaltete. Zusätzlich berücksichtigte Herschel auch die Eigenbewegung von Regulus und Castor. Diese 14 Sterne projizierte er auf eine Himmelskugel und fand heraus, dass sich alle Sterne - mit Ausnahme von Beta Cygni, Epsilon Cygni und Gamma Arietis - auf einen gemeinsamen Punkt hin zu bewegen, der nahe dem Stern Lambda Herculi liegt. Anhand dieser zielgerichteten Bewegung schloss Herschel auf eine (absolute) Eigenbewegung unseres Sonnensystems [2]. Demnach handelt es sich bei dem Phänomen der Eigenbewegung der Fixsterne zunächst um eine scheinbare Bewegung, die durch eine absolute Bewegung unseres Sonnensystems hervorgerufen wird. Den 3 Sternen, deren Bewegung nicht auf Lambda Herculi gerichtet ist, schrieb Herschel eine echte „eigene Bewegung“ zu.


Abbildung 1: Scheinbare Eigenbewegung der Sterne Arcturus, Sirius, Beta Cygni, Procyon, Eps Cygni, Gamma Arietis, Gamma Geminorum, Aldebaran, Beta Geminorum, Gamma Piscis, Alpha Aquilae, Alpha Geminorum [2]

In den Jahren 1838 -1840 untersuchte Friedrich Wilhelm August Argelander anhand der Eigenbewegung von 590 Fixsternen ebenfalls die eigene Bewegung des Sonnensystems. Er teilte die Sterne entsprechend ihrer unterschiedlichen scheinbaren Helligkeiten in drei verschiedene Klassen ein, für die er jeweils den Schnittpunkt der Bewegungsrichtungen bestimmte. Seine Untersuchungen führten Argelander etwa zu dem gleichen Punkt, den bereits Herschel ermittelt hatte [3]. Somit war die Eigenbewegung unseres Sonnensystems eindeutig bestimmt. Im nächsten Abschnitt werden wir auf diese Eigenbewegung näher eingehen.

3. Die differentielle Rotation der Milchstraße

Neben der Eigenbewegung des Sonnensystems muss natürlich auch die Bewegung unsere Milchstraße berücksichtigt werden. Bereits Immanuel Kant ging davon aus, dass es sich bei der Milchstraße um eine Scheibenförmige Struktur handelt, die sich um einen Zentralkörper dreht:

Herr Wright von Durham, dessen Abhandlung ich aus den Hamburgischen freien Urtheilen vom Jahr 1751 habe kennen lernen, hat mir zuerst Anlass gegeben, die Fixsterne nicht als ein ohne sichtbare Ordnung zerstreutes Gewimmel, sondern als ein System anzusehen, welches mit einem planetischen die grösste Ähnlichkeit hat, so dass, gleichwie in diesem die Planeten sich einer gemeinschaftlichen Fläche sehr nahe befinden, also auch die Fixsterne sich in ihren Lagen auf eine gewisse Fläche, die durch den ganzen Himmel muss gezogen gedacht werden, so nahe als möglich beziehen und durch ihre dichteste Häufung zu derselben denjenigen lichten Streif darstellen, welcher die Milchstrasse genannt wird. Ich habe mich vergewissert, dass, weil diese von unzähligen Sonnen erleuchtete Zone sehr genau die Richtung eines grössten Zirkels hat, unsere Sonne sich dieser grossen Beziehungsfläche gleichfalls sehr nahe befinden müsse.

Die Entstehung des Zentralpunktes stellte sich Kant folgendermaßen vor:

Wenn demnach ein Punkt in einem sehr grossen Raume befindlich ist, wo die Anziehung der daselbst befindlichen Elemente stärker als allenthalben um sich wirkt: so wird der in dem ganzen Umfange ausgebreitete Grundstoff elementarischer Partikeln sich zu diesem hinsenken. Die erste Wirkung dieser allgemeinen Senkung ist die Bildung eines Körpers in diesem Mittelpunkte der Attraction, welcher so zu sagen von einem unendlich kleinen Keime in schnellen Graden fortwächst, aber in eben der Masse, als diese Masse sich vermehrt, auch mit stärkerer Kraft die umgebenden Theile zu seiner Vereinigung bewegt. Wenn die Masse dieses Centralkörpers so weit angewachsen ist, dass die Geschwindigkeit, womit er die Theilchen von grossen Entfernungen zu sich zieht, durch die schwachen Grade der Zurückstossung, womit selbige einander hindern, seitwärts gebeugt, in Seitenbewegungen ausschlägt, die den Centralkörper vermittelst der Centerfliehkraft in einem Kreise zu umfassen im Stande sind: so erzeugen sich grosse Wirbel von Theilchen, deren jedes für sich krumme Linien durch die Zusammensetzung der anziehenden und der seitwärts gelenkten Umwendungskraft beschreibt (…)“ [4].


Abbildung 2: Signatur von Immanuel Kant

Es sollte jedoch noch rund 170 Jahre dauern bis der holländische Astronom Jan Hendrik Oort die Rotation der Milchstraße anhand der 21 cm Linie des Wasserstoffs radioastrometrisch nachweisen konnte. Bei der Rotation der Milchstraße handelt es sich um eine sogenannte differentielle Rotation, d.h. die Winkelgeschwindigkeit hängt von der Entfernung zum Zentrum ab.

Vorgänge innerhalb unseres Milchstraßensystems werden in sogenannten galaktischen Koordinaten beschrieben. Koordinatenursprung ist das lokale Ruhesystem (LSR local standard of rest). Das LSR wird aus der mittleren Bewegung der Sterne in Sonnenumgebung berechnet. Der Abstand vom LSR innerhalb der Scheibenebene wird als galaktische Länge bezeichnet, dar Abstand vom LSR senkrecht zur Scheibenebene wird als galaktische Breite bezeichnet. Aufgrund der differentiellen Rotation der Milchstraße hängt die „Eigenbewegung“ der Sterne daher vom Abstand zum galaktischen Zentrum, also von der galaktischen Länge ab.


Abbildung 3: Andromedagalaxie M31, Foto J.S. Schlimmer, 2001

Die Radialgeschwindigkeit RG und die Eigenbewegung EB in Abhängigkeit von der differentiellen Rotation der Milchstraße werden durch die Oortschen Rotationsformeln beschrieben [5, 6]:

RG = A r sin (2l)
EB = (A r cos (2l)) + B r)

Mit den Oortschen Konstanten

A ~ 14,8 kms-1 kpc-1
B ~ 12,4 kms-1 kp-1

Danach beträgt die Umlaufgeschwindigkeit des LSR rund 220 km/sec. Innerhalb des galaktischen Koordinatensystems hat unser Sonnensystem eine Eigenbewegung von 16,6 km/sec.



Abbildung 4: Eigenbewegung der Sterne in Abhängigkeit der galaktischen Länge und Breite [5]


4. Eine kleine Exkursion zum Zentrum.....

Was Immanuel Kant und Jan Hendrik Oort noch nicht wussten: bei dem Zentralkörper unsere Milchstraße handelt es sich um ein sogenanntes schwarzes Loch. Ein internationales Forscherteam, das von Reinhard Genzel (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik) geleitet wurde, konnte anhand der Bewegung des Sterns S2 um SgrA* zeigen, dass es sich bei der zentralen Masse um ein schwarzes Loch handeln muss [7, 8]. Im Frühjahr 2002 näherte sich der Stern S2 bis auf 15 Millibogensekunden der zentralen Masse an. Die Umlaufzeit von S2 um das schwarze Loch beträgt 15,2 Jahre. Anhand der Bahn von S2 kann man auf die Masse des schwarzen Loches schließen. Sie beträgt ca. 2,6 Millionen Sonnenmassen.


Abbildung 4 : Das Zentrum unserer Milchstraße um die Radioquelle SgrA* [7]


Abbildung 5: Ein merkwürdiges Binary System: der Stern S2 umkreist die Zentralmasse unserer Milchstraße in 15,2 Jahren [7]


5. Zusammenfassung

Die Ursache der Eigenbewegung der Fixsterne hat also verschiedene Ursachen :
  • Bewegung unseres Sonnensystems (Bezugssystem)
  • Differentielle Rotation unserer Milchstraße
  • Absolute Bewegung der Fixsterne



6. Literatur
 
[1] Edmund Halley, Considerations on the Change of the Latitudes of Some of the Principal Fixt Stars, Philosophical Transactions, Volume 30, Seite 736-738
[2] Wilhelm Herschel, On the proper Motion of the Sun and Solar System; with an Account of serveral Changes that have happened among the fixed Stars since the Time of Mr. Flamstead, Philosophical transactions of the Royal society of London, 1783 Vol. 73
[3] Wilhelm Friedrich August Argelander, Über die eigene Bewegung des Sonnensystems, Astronomische Nachrichten Nr. 363, 1839
[4] Immanuel Kant, Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels, Versuch von der Verfassung und dem mechanischen Ursprunge des ganzen Weltgebäudes nach Newtonischen Grundsätzen abgehandelt., Verlag Johann Friederich Petersen, Königsberg und Leipzig, 1755
[5] J.H. Oort, Observational evidence confirming Lindblad's hypothesis of a rotation of the galactic system, Bulletin Of The Astronomical Institutes Of The Netherlands, Vol. 3 No. 120, 14. April 1927
[6] J.H. Oort, Investigations concerning the rotational motion of the galactic system, together with new determinations of secular parallaxes, precession and motion of the equinox,
Bulletin Of The Astronomical Institutes Of The Netherlands, Vol. 4 No. 132, 7. September 1927
[7] Presseinformation der Max Planck Gesellschaft, PRI SP 12 / 2002 (87), 16 Oktober 2002
[8] Dem Forscherteam gehörten an: Rainer Schödel, Thomas Ott, Reinhard Genzel, Reiner Hofmann und Matt Lehnert (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching), Andreas Eckart und Nelly Mouawad (Physikalisches Institut, Universität zu Köln), Tal Alexander (Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israel), Mark J. Reid (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Mass., USA), Rainer Lenzen und Markus Hartung (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg), François Lacombe, Daniel Rouan, Eric Gendron und Gérard Rousset (Observatoire de Paris - Section de Meudon, Frankreich), Anne-Marie Lagrange (Laboratoire d’Astrophysique, Observatoire de Grenoble, Frankreich), Wolfgang Brandner, Nancy Ageorges, Chris Lidman, Alan F. M. Moorwood, Jason Spyromilio und Norbert Hubin (Europäische Südsternwarte), Karl M. Menten (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn)